基于可解释机器学习模型理解城市绿色基础设施与PM2.5之间的关系：来自中国288个城市的证据

《Earth's Future》：Understanding the Relationship Between Urban Green Infrastructure and PM2.5 Based on an Explainable Machine Learning Model: Evidence From 288 Cities in China

城市绿地基础设施形态空间模式对PM2.5减排的影响及时空演化研究。采用形态空间模式分析（MSPA）对中国288个城市七类绿地形态空间分布进行量化，结合地理加权机器学习模型验证了非核心绿地（如孔洞、岛屿）相比核心绿地具有更显著的PM2.5减排效果。研究揭示 elevation, region, urban size 对绿地形态空间分布的差异化影响，并识别出西南地区具有最高绿地形态变化调控潜力，而东部地区城市面临PM2.5风险监管压力。研究成果为优化绿地空间形态配置提供科学依据，对实现碳中和目标下的新型城镇化具有重要实践价值。

　　城市绿色基础设施（UGI）对于缓解细颗粒物（PM?.?）污染具有重要作用，这是可持续城市发展的关键议题之一。随着全球城市化进程的加速，PM?.?污染已成为影响城市生态环境和居民健康的重要挑战。特别是在中国，几十年来的快速城市扩张对城市生态系统和公共健康造成了巨大压力。因此，如何有效利用UGI来改善空气质量，成为城市规划与环境治理的重要课题。然而，目前大多数相关研究集中在个别案例的分析上，缺乏对UGI空间形态特征的系统性、全国尺度的研究。本研究通过采用形态空间模式分析（MSPA）方法，首次在国家层面上量化了中国288个城市的七种UGI形态空间模式（MSPs）的空间分布特征，并探讨了不同地理条件和城市规模下这些模式的差异。同时，研究还结合先进的可解释机器学习技术，验证了UGI在降低PM?.?污染中的积极作用，尤其是非核心区域的UGI形态，如穿孔和岛屿型绿地，其对空气质量改善的影响远超核心区域。此外，本研究还评估了UGI在时间变化过程中对城市PM?.?污染风险的影响，为制定科学合理的城市规划策略提供了理论依据和实践指导。

### 一、研究背景与意义

城市化是推动经济发展的重要引擎，但其带来的环境代价也日益凸显。PM?.?污染不仅影响城市空气质量，还对居民健康、生态系统稳定性及城市可持续发展构成威胁。在这一背景下，UGI作为自然解决方案，被认为可以有效改善空气质量。UGI中的植被能够通过吸附颗粒物、减少扬尘、吸收气态前体物等方式，发挥空气净化功能。然而，以往的研究多关注UGI的总量，忽视了其空间分布与形态特征对污染控制的潜在影响。这种单一的视角难以全面反映UGI在不同环境条件下的实际作用。因此，本研究试图填补这一知识空白，探索UGI空间形态对PM?.?污染的调控机制，为城市可持续发展提供新的思路。

### 二、研究方法与数据来源

本研究基于中国288个主要城市的数据，采用MSPA方法识别七种UGI形态空间模式（MSPs），包括核心、岛屿、穿孔、边缘、环形、桥梁和分支。这些模式反映了城市绿地在空间结构上的不同特征，如连通性、破碎度和分布密度。通过将这些模式与PM?.?污染数据进行对比分析，研究揭示了不同形态绿地对空气质量改善的贡献差异。同时，研究还考虑了自然因素（如温度、降水、海拔）和社会经济变量（如人口规模、城市等级）对PM?.?污染的影响，以全面评估UGI在城市环境中的作用。

在数据来源方面，研究使用了中国土地覆盖数据集（CLCD）和LGHAP v2数据集，分别提供了1990年至2022年的土地覆盖信息和2000年至2022年的PM?.?浓度数据。所有数据均被统一投影到阿尔伯斯等积投影（Albers Equal-Area projection），以确保空间分析的准确性。此外，研究还结合了地理信息系统（GIS）技术，对UGI的空间分布进行了可视化处理，从而更直观地理解其与PM?.?污染之间的关系。

### 三、研究发现与分析

#### 1. UGI的空间分布特征

研究发现，中国不同地区的UGI覆盖和组成存在显著差异。总体而言，西部地区的城市（尤其是西北和西南）拥有更高的UGI覆盖率，平均达到65.53%，而东部和东北部城市的平均覆盖率仅为35.04%。这种东西部之间的差异主要源于城市化路径的不同。东部城市由于长期的“沿海优先”发展战略，城市扩张迅速，导致大量非核心UGI被压缩，而西部城市由于人口密度较低，城市化进程相对缓慢，因此保留了更多多样化的绿地形态。此外，研究还发现，城市规模与UGI覆盖率之间存在显著的负相关关系。小型城市平均拥有70.06%的UGI覆盖率，而超大城市仅能达到31.23%。这表明，城市扩张的强度与UGI的保留情况密切相关，且小城市在维持较高绿地比例方面更具优势。

#### 2. UGI形态对PM?.?污染的影响

通过构建多种监督学习模型（包括多元线性回归、随机森林和XGBoost），研究发现，XGBoost模型在拟合UGI与PM?.?之间的关系时表现出更高的准确性，其R2值达到0.87，显著高于其他模型。进一步的SHAP分析表明，非核心UGI形态，如穿孔和岛屿，对PM?.?的降低具有更显著的影响。这些模式虽然面积较小，但其分布的广度和边缘效应使得它们在空气净化方面发挥着重要作用。相比之下，核心区域虽然面积较大，但其对PM?.?的贡献相对较弱。这表明，传统上对大规模核心绿地的重视可能掩盖了非核心绿地在污染控制中的潜力。

此外，研究还发现，UGI形态与地理因素之间存在复杂的交互作用。例如，在北方工业城市，穿孔结构由于其促进空气流动和污染物沉降的功能，在PM?.?污染治理中表现尤为突出。而在南方沿海城市，由于自然风力较强，穿孔的净化效果相对较小。因此，UGI的形态特征需要结合具体的地理环境进行评估，以实现最优的污染控制效果。

#### 3. UGI变化对PM?.?污染风险的调控潜力

研究进一步分析了过去20年间UGI变化对PM?.?污染风险的影响。结果表明，西南地区在整体UGI、核心和非核心区域的年均增长率均较高，分别达到1.95%、4.62%和7.08%。这表明该地区在提升空气质量方面具有较大的潜力。然而，东部地区虽然在整体UGI和核心区域的面积有所增加，但非核心区域的面积增长相对有限，这可能与高人口密度和土地资源紧张有关。相比之下，南部地区的核心区域面积减少，且非核心区域的UGI覆盖率也下降，导致其在污染控制方面面临更大挑战。

研究还利用空间自相关分析（如局部莫兰指数）识别了不同城市在PM?.?控制能力上的空间差异。结果显示，存在冷热点区域，其中冷点区域（LL）主要集中在东部和南部，而热点区域（HH）则多分布在西北和东北。这些区域的PM?.?污染水平较高，表明UGI的优化对这些地区的空气质量改善具有重要意义。

#### 4. UGI形态优化对城市规划的启示

研究指出，传统的城市绿化政策往往以扩大绿地面积为目标，但忽视了绿地形态对污染控制的直接影响。在资源有限的情况下，这种单一策略可能无法实现最佳的环境效益。因此，本研究提出了一种新的城市规划思路：在保持UGI总量的同时，更加注重其形态结构的优化。这包括对非核心绿地（如穿孔和岛屿）的保护和合理布局，以及对核心绿地的扩展与功能提升。此外，研究还强调了城市内部生态走廊和社区绿地的重要性，认为这些结构可以增强绿地之间的连通性，从而提升整体的空气净化能力。

对于快速发展的城市，特别是那些在人口和经济规模上快速增长的地区，研究建议采取前瞻性措施，以保护现有非核心绿地，防止其在城市扩张过程中被压缩或消失。而对于已经处于成熟发展阶段的城市，研究则鼓励通过生态修复和空间重构，优化现有的绿地网络，提升其在应对PM?.?污染方面的效率。

### 四、研究意义与全球应用价值

本研究不仅为中国城市规划提供了科学依据，也为全球其他快速城市化的地区提供了借鉴。在许多发展中国家，城市扩张往往伴随着大规模的绿地流失，导致空气污染问题加剧。而本研究揭示的非核心绿地在污染控制中的重要作用，为这些地区提供了新的治理思路。例如，在东南亚和非洲等地区，可以借鉴中国经验，通过构建分布广泛的非核心绿地网络，提升城市空气净化能力，避免因过度依赖大型核心绿地而导致的资源浪费和环境风险。

同时，本研究的发现对发达国家的城市也具有参考价值。在这些城市中，由于土地资源有限，建立大规模的绿地空间可能面临诸多困难。因此，优化现有绿地的形态结构，增强其功能性和连通性，成为提升空气质量的关键策略。通过创建一系列小规模、分布均匀的绿地节点，并连接成网络，可以有效改善城市空气环境，同时降低治理成本。

### 五、研究局限与未来方向

尽管本研究在方法论和数据处理上具有较高的科学性，但仍存在一定的局限性。首先，研究的时间跨度为20年（2000–2020），虽然涵盖了中国城市化发展的关键阶段，但未能反映更长期的生态变化趋势。因此，未来研究可以延长分析时间范围，以更全面地评估UGI对PM?.?污染的长期影响。

其次，本研究主要基于年度数据，未能充分考虑季节性变化对PM?.?浓度的影响。由于PM?.?污染具有明显的季节波动，例如冬季和春季的浓度往往高于夏季和秋季，因此未来研究可以结合季节性数据，进一步探讨UGI在不同季节的净化能力。

此外，研究主要关注了城市绿地的空间分布和形态特征，但未深入探讨绿地的植被类型及其功能差异。不同植物对PM?.?的吸附能力和净化效率存在显著差异，因此未来研究可以结合植被类型分析，以更精确地评估UGI的生态效益。

### 六、结论与政策建议

本研究的核心结论是，UGI的空间形态对其空气净化能力具有决定性影响，而不仅仅是其面积大小。非核心绿地形态，如穿孔和岛屿，虽然面积较小，但在污染控制方面具有更高的效率。因此，城市规划应从单一的面积扩展转向对绿地形态的优化，以实现更高效的污染治理。

对于中国而言，这一研究为政策制定者提供了重要的参考。在东部和北部等已高度城市化的地区，应优先保护和扩展非核心绿地，以增强其在污染控制中的作用。而在快速发展的中小城市，应通过合理的规划，避免绿地的过度流失，同时优化现有绿地网络。此外，研究还建议将形态空间模式分析纳入城市规划的评估体系，以更科学地指导绿地布局。

从全球角度来看，本研究揭示的UGI形态对PM?.?污染的调控机制具有广泛的适用性。无论是发展中国家还是发达国家，都可以通过优化绿地的空间结构，提升城市空气质量，促进可持续发展。这一发现不仅有助于改善当前的城市环境问题，也为未来城市规划提供了新的理论支持和实践路径。